1.2.1 PLC的产生、定义、特点及应用
1.PLC的产生和定义
通俗地说，PLC就是专用的、便于扩充的计算机控制装置。
1987年，国际电工委员会（international electrical committee，IEC）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产机械和生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原理设计”。
传统的继电接触式控制系统是通过硬导线连接电器元器件来构成逻辑控制系统，具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点。但是，由于采用固定的接线方式，导致继电接触式控制系统的灵活性差、工作频率低、触点易损坏、可靠性差。
1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）试图寻找一种新型的工业控制方法，以适应汽车型号的不断更新，尽可能减少重新设计和更换继电接触式控制系统的硬件和接线带来的工作量，从而降低成本。1969年，美国数字设备公司（DEC）根据招标要求，研制出了世界上第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功。
早期的可编程序控制器是为了取代继电接触式控制电路，使用存储程序指令、完成顺序控制而设计的，主要用于逻辑运算、定时、计数和顺序操作等开关量逻辑控制，通常称为可编程序逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）。
进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，出现了微处理器和微型计算机，并被应用到PLC中，从而使PLC不仅仅具有逻辑控制功能，还增加了数据运算、传送和处理等功能，而称其为具有计算机功能的工业控制装置。1980年，美国电器制造协会正式将其命名为可编程序控制器（programmable controller，PC），但由于容易与个人计算机PC（personal computer，PC）相混淆，人们还是习惯性地用PLC作为可编程序控制器的缩写。
进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的快速发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到迅猛发展，使PLC在各个方面都有了新的突破，不仅功能增强，体积、功耗减小，成本下降，可靠性提高，而且在远程控制、网络通信、数据图像处理等方面发展迅速。
PLC在我国的研制、生产和应用也获得了迅猛发展。目前，PLC已经广泛应用在改造传统设备、设计新的控制设备及生产过程工控系统中，并取得了显著的经济效益。PLC已经成为当代电气控制及自动化装置的主导设备。
2.PLC的特点
PLC作为一种新型、专用的工业控制装置，其自身有着其他控制设备不可替代的特点。
（1）可靠性高、抗干扰能力强
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最突出的特点之一，主要表现在以下几个方面：
1）传统的继电接触式控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。而PLC用软元件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅使用与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/100～1/10，因触点接触不良造成的故障大为减少。
2）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间在电气上隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及电路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰；对CPU等重要部件采用优良的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰。
3）PLC由于采用现代大规模集成电路技术，以及严格的生产工艺，内部电路采用先进的抗干扰技术，因此具有很高的可靠性。
4）PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，还可以嵌入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC装置外的电路及设备也获得了故障自诊断保护。
因此，PLC与其一般控制系统比较，具有更高的可靠性和很强的抗干扰能力，可以直接用于具有强烈干扰的工业现场，并能持续正常工作。
（2）编程方法简单、易学
PLC是面向用户的设备，它采用梯形图和面向工业控制的简单指令语句编写程序。梯形图是最常用的PLC编程语言，其编程符号和表达方式与继电器电路原理图相似。
（3）功能强、性价比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。此外，PLC还可以通过通信联网，实现分散控制、集中管理。与相同功能的继电接触式控制系统相比，具有很高的性价比。
（4）硬件配套齐全、适应性强
PLC及外围模块品种配备种类多、功能全、接线方便，它们可以灵活、方便地组合成各种大小和不同功能要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出（I/O）信号线，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而繁杂的连接电路。
PLC的输入端口可以通过输入开关信号直接与DC 24V的电信号相连，根据功能选择还可以直接输入工业标准模拟量（电压、电流）信号及工业温控热电阻、热电偶，以供PLC采集。
PLC的输出端可以根据负载需要直接控制AC 220V或DC 24V等电源与其相连，并具有较强的带负载能力；可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器的控制线圈；可以选择直接输出工业标准模拟量（电压、电流）控制信号。
（5）通信方便、便于实现组态监控
PLC实现的控制系统通过通信接口可以实现与现场设备及计算机之间的信息交换，可以方便地与上位机实现计算机组态监视与控制系统，为实现分布式（DCS）控制系统、进一步深化自动化技术应用奠定基础。
（6）体积小、功耗低
PLC体积小、质量轻，便于安装。以超小型PLC为例，新近出产的品种其底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/10～1/2；质量小于150g，功耗仅为数瓦。对于复杂的控制系统，使用PLC作为控制装置后，减少了各种时间继电器和中间继电器的数量，可以降低能耗，同时大大缩小控制系统的体积，便于系统内部植入各种机电设备，实现机电一体化。
（7）系统的设计、安装、调试工作量小
PLC用软件功能取代了继电接触式控制系统中大量的继电器、计数器等器件，大大减少了控制柜的设计、安装及接线工作。
PLC的梯形图编程方法规律性强，容易掌握。对于复杂控制系统，设计梯形图所需的时间比设计继电接触式控制系统电路所需时间要少得多。
PLC的用户程序可模拟调试，输入信号用小开关代替，输出信号的状态可通过PLC上的发光二极管模拟指示，调试成功后再进行现场统一调试，调试工作量及调试时间大大减少。
由于PLC及其模块内部包含了各类通用接口电路，由PLC组成的控制系统外部接线简单、方便，设计周期短，可操作性强。
（8）维护方便、工作量小
PLC的故障率非常低，并且有完善的自诊断和显示功能。当PLC本身、外部的输入装置或执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速查明故障原因，如果是PLC自身故障可用更换模块的方法迅速排除。
另外，PLC在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等也都有精确的考虑。
PLC平均无故障时间可达数万小时，使用寿命可达10年以上。
3.PLC的应用领域
随着微处理器芯片价格的下降，PLC的成本越来越低，功能越来越强大，应用范围也越来越广。PLC不仅能替代继电接触式控制系统，还能用来解决模拟量闭环控制及较复杂的计算和通信问题。PLC在工业自动化领域的应用比例越来越大，当前已处于自动化控制设备的领先地位。
（1）开关量的逻辑控制
开关量的逻辑控制是PLC最基本、最广泛的应用领域。用PLC取代传统的继电接触式控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。
（2）运动控制
PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用运动模块来实现。
（3）模拟量及闭环过程控制
PLC厂家都生产配套的A-D和D-A转换模块，如FX2N系列PLC中的FX2N-4AD和FX2N-4DA等。
PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A-D、D-A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环PID控制。当过程控制中的某个变量出现偏差时，PID控制算法根据程序设定的参数进行PID运算，其输出控制执行机构，使变量按照设计要求的控制规律变化恢复到设定值上。
（4）数据处理
现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传递、排序、查表以及位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用在大中型控制系统中。
（5）联机通信
PLC通过通信线路可以方便地实现与PLC、上位机及其他智能设备之间的通信，便于网络组成，实现集中管理、分散控制的分布控制系统（DCS）。